專利名稱：一種基于管道溫度場分布的無損檢測裝置及方法
技術領域：
本發明涉及管道無損檢測領域，具體的說，是一種基于管道溫度場分布的無損檢測裝置及方法。
背景技術：
在工業生產中，許多管道由于長期運行在高溫、高壓以及化學腐蝕的惡劣工作環境下，常會造成內壁的損傷或脫落，導致整個工藝生產無法順利的進行，給安全生產帶來隱患，近年來，工業系統中許多重大事故也都與管道的內部損傷密切相關。在現有技術中，為對管道進行無損傷檢測，常采用以下方法(I)X射線探傷，它是一種利用X射線穿透物體來發現物體內部缺陷的探傷方法，同時也可用于測量物體的厚度，在工業上較為常見，但由于X射線對人體有害，因此，在探傷作業時，應嚴格的遵守相關的安全操作規程，管道周邊人員還應采取必要的防護措施，以減少傷害；同時，由于X射線探傷裝置的工作電壓高達數萬伏乃至數十萬伏，因此，作業時·還存在聞壓的危險。(2)超聲波(成像)探傷，它是利用超聲能透入金屬材料的深處，并由一截面進入另一截面時，在界面邊緣發生反射的特點來檢查零件缺陷及厚度的一種方法，在冶金工業中應用較多，但應用于化工、石油等行業的管道檢測時，卻容易受管道內流體的影響，而出現較大的誤差；同時，使用超聲波探傷產生的經費也較上述方法更高，因此，在化工、石油等行業中的普及率較差。為克服上述兩種方法產生的缺陷，本發明提出了一種低成本、無輻射、準確度高以及更便于在線測試的無損檢測裝置及方法。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種基于管道溫度場分布的無損檢測裝置，通過溫度傳感器檢測管壁外的溫度，可實現對管壁厚度的無損檢測，較現有的X射線探傷以及超聲波探傷的方法而言，具有無輻射、安全可靠等優勢，且成本低廉。本發明所要解決的另一技術問題是一種基于管道溫度場分布的無損檢測方法，其操作過程簡單，具有在線使用可靠、準確度高等優點。本發明的目的通過下述技術方案實現一種基于管道溫度場分布的無損檢測裝置，為實現對管壁外溫度的測量，本發明包括設有溫度傳感器的檢測裝置，所述的溫度傳感器設于管道的外壁，而所述的檢測裝置則與儀表盤相連接，在使用過程中，工作人員可根據儀表盤上的數據獲得準確的溫度數值，并完成后續的無損檢測工作。三個以上的溫度傳感器周向分布于管道外壁上，形成測量環；位于測量環上的溫度傳感器等間距分布。在實際測量過程中，可減小測量的誤差，加強本發明的準確度。為進一步減小測量過程中的誤差，所述測量環的數量為一個以上，沿管程并列分布，且每兩個測量環之間的間距為8 12cm。
為更好的實現本發明，所述的檢測裝置還包括依次相連的傳感器模擬前端、微處理器以及通信接口，所述的傳感器模擬前端通過電纜與溫度傳感器相連；而所述的通信接口則與儀表盤相連接。本發明在所述的檢測裝置外還封裝有保護外殼，并在所述保護外殼內的傳感器模擬前端、微處理器、通信接口以及溫度傳感器之間還填充有隔熱泡沫，可減小環境因素的影響，使用效果好。現有的紅外線溫度感應器，也常用于溫度的測量，但在其實際使用過程中，卻還是存在輻射現象，且精度不夠高，對現場操作人員十分不利，因此，本發明所述的溫度傳感器采用精度小于或等于±0. rc的溫度傳感器，進一步的，溫度傳感器采用石英晶體溫度傳感器，不僅分辨力高、線性良好、無輻射，且還具有工作穩定、結構簡單等特點。一種基于管道溫度場分布的無損檢測方法，包括以下步驟
(a)在管壁外布置溫度傳感器，作為溫度測點，通過電纜將數據傳輸給傳感器模擬前端，統計溫度值；(b)傳感器模擬前端將轉換后的數據傳輸給微處理器分析處理，取最高溫度值為tw2max，取剩余溫度由低到高排列的前75%的平均值為tw2 ；(c)測量管道外徑d2及內徑Cl1,由(Cl2-Cl1)A獲得管壁厚度為S ;(d)測量管外空氣溫度，使用統計的溫度值tw2及tw2max，利用公式求得管壁厚度δ ’ ;(e)利用求得的管壁厚度得到管壁減薄厚度Λ = δ - δ ’。所述的步驟(d)進一步包括(d. I)測量得管外空氣溫度為t，查得管外空氣的對流換熱系數為h2，利用公式
tw2-t
q= I ，計算得出單位管長的管道熱流量為q ; mhh2(d. 2)根據管道材料屬性查得管道的導熱系數為λ，根據管內流體的屬性查得管
T-X
內流體的換熱系數為h,，利用傅里葉公式q= I t I lnd2] I計算得出管內流體溫
7td\h\ 2πλ d\ mhh2
度T;(d. 3)將tw2替換為tw2_，重復步驟(d. I)求得q’，將(d. 2)中傅里葉公式中的q替換為q’，代入T，獲得管道⑵內徑為d/ ；(d. 4)由(Cl2-Cl1，)/2 獲得管壁厚度為 δ，。本發明與現有技術相比，具有以下優點及有益效果(I)本發明通過溫度感應器可實現對管壁的無損檢測，檢測方法簡單實用，在操作過程中，采用多個溫度感應器布置形成測量環，對管道外的流體溫度進行測量，減小了測量時的誤差，提高了檢測的準確性。(2)在實際使用過程中，管道常由于污垢、腐蝕以及管內流體的沖刷而造成損壞或脫落，本發明基于傳熱學原理，采用傅里葉公式，近似傳熱徑向穩定，分別代入高溫值以及剩余溫度由低到高排列的前75%的平均值，計算得出管壁厚度為δ ’，由已知的管道外徑d2及內徑Cl1，采用公式(Cl2-Cl1)/2獲得管壁厚度為δ，而管壁厚度δ-管壁厚度δ’即為管壁的磨損厚度，數據準確，檢測效果好。(3)本發明安裝方便，涉及的檢測裝置結構簡單，檢測裝置采用石英晶體溫度傳感器作為溫度感應裝置，具有分辨力高、線性良好、無輻射、工作穩定等特點，可廣泛應用于化工、石油等工業領域中，成本低廉，且具有極好的市場潛力。(4)本發明計算過程簡單，在實際的應用過程中，可根據查表或實際檢測，獲得相應的數據，例如通過查表獲得管外空氣的對流換熱系數為h2等；通過傅里葉公式計算得出管內流體溫度為T，可應用于管壁的無損檢測，也可用于普通圓筒壁換熱設備的無損檢測，應用范圍廣。


圖I為本發明實施例的安裝結構示意圖。圖2為圖I中A向橫截面的結構示意圖。·
圖3為本發明檢測裝置的結構示意框圖。圖4為本發明的原理圖。其中，I-溫度傳感器，2-管道，3-儀表盤，4-傳感器模擬前端，5-微處理器，6_通信接口，7-電纜，8-保護外殼。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明作進一步地詳細說明，但本發明的實施方式不限于此。實施例本發明提出了一種基于管道溫度場分布的無損檢測裝置，它針對彎管沖刷檢測，主要應用于化工生產、石油、電力等眾多領域中，可實現非接觸、快速、靈敏度高以及操作安全等獨特的操作優勢，在實際應用過程中，對管道2泄漏及保溫層缺陷的檢測、高溫壓力管內壁缺陷的檢測以及管道2內壁局部脫落的檢測等，均具有很好的檢測效果，其結構包括設有溫度傳感器I的檢測裝置，如圖I、圖2所示，溫度傳感器I設于管道2的外壁，檢測裝置則與儀表盤3相連接，在使用過程中，工作人員可根據儀表盤3上的數據獲得準確的溫度數值，并完成后續的無損檢測工作。為減小測量溫度帶來的誤差，加強檢測結果的準確度，溫度傳感器I的設置情況可如圖I、圖2所示，溫度傳感器I采用精度小于或等于±0. 1°C的溫度傳感器，例如高精度的石英晶體溫度傳感器，其數量為三個以上，沿管壁外周向分布并形成測量環。由溫度傳感器組成的測量環的數量同樣為一個以上，安裝于管道的彎管位置，且中間一組測量環安裝在彎管中心位置。如圖3所示，檢測裝置還包括依次相連的傳感器模擬前端4、微處理器5以及通信接口 6，其中，在傳感器模擬前4端上設有電纜7，傳感器模擬前端4則通過電纜7與溫度傳感器I相連；而通信接口 6則與儀表盤3相連接。由上述結構可知，檢測裝置的實現原理如下溫度傳感器I繞管道2外邊緣等間距分布為一個以上的測量環，測量環的分布情況如圖I所示；每個溫度傳感器I均通過電纜7與傳感器模擬前端4連接；傳感器模擬前端4則將轉換后的數據傳輸給微處理器5，并進行分析處理；微處理器5將分析獲得的信息通過通信接口 6再傳輸給儀表盤3處理；在應用過程中，為避免環境因素對溫度傳感器I或其它部件造成的影響，溫度傳感器I、溫度傳感器電纜7、傳感器模擬前端4、微處理器5和通信接口 6均封裝于保護外殼8內，在保護外殼8內的傳感器模擬前端4、微處理器5、通信接口 6以及溫度傳感器I之間還填充有隔熱泡沫。在本發明中，由于溫度傳感器I采用高精度的石英晶體溫度傳感器，還具有分辨力高、線性良好、無輻射、工作穩定以及結構簡單等特點。為更好的實現上述檢測裝置，本發明還提出了一種基于管道溫度場分布的無損檢測方法，它針對上述結構而使用，主要包括以下步驟(a)合理布置溫度測點四個溫度傳感器I組成一個測量環布置于管道2外，且位于每個測量環上的相鄰溫度傳感器I的距離均相等，如圖2所示；測量環的數量可設為三個或四個，每個測量環之間的間距為10cm，如圖I所示；傳感器模擬前端4統計每個溫度傳感器I測得的溫度值，傳輸給微處理器5分析處理，取最高溫度值為tw2max，取剩余溫度由低到高排列的前75%的平均值為tw2 ；
(b)通過已知數據，利用傅里葉公式求解管壁差值傅里葉公式的原理如下某一微元的熱流量(單位時間內傳導的熱量)與該微元等溫面的法向溫度梯度及該微元的導熱面積成正比。在本發明中，可將管內流體與管外流體的傳熱視為穩定傳熱，因此，如圖4所示，兩流體的熱交換過程則由三個串聯的傳熱過程組成，q=管內對流=管壁導熱=管外對流，即
T-Tw tyrtq— I 一 I ①
π \Η nd'Jn ___Γ-t_I I t di I
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wdihi 2jcI d\ Jtdihi其中q——單位管長熱流量，W ;hi-管內流體對流換熱系數,W · πΓ2 · Γ1 ；h2——管外流體對流換熱系數，W · m_2 · Γ1 ；λ——管道導熱系數，W · πΓ1 · Γ1 ；Cl1-管道內徑，m ;d2-管道外徑，m ；T——管內流體溫度，K ；t——管外流體溫度，K。由上述公式可知，管外對流熱量的計算公式為
tw~tI ② mhh2本發明的計算步驟如下(I)測量管道外徑d2及內徑Cl1,由(Cl2-Cl1)A獲得管壁厚度為S ;(2)查得管外空氣的對流換熱系數為h2，測量得管外空氣溫度為t，tw =剩余溫度值的平均值為tw2,已知31 = 3. 14,將t、h2、d2、tw代入②式中,得單位管長的管道熱流量為Q ;
(3)根據管道材料屬性查得管道的導熱系數為λ，根據管內流體的屬性查得管內流體的換熱系數為Ii1Jfhphy λ、(^、七、t、q代入①式中，得管內流體的溫度為T ；(4)將tw2替換為tw2_，重復步驟⑵求得q’，將hp h2、λ、d2、t、q’、T代入①式中，得管道2內徑為d/ ；(5)已知管道內徑為d/以及管道外徑d2，由(4-d/ )/2獲得管壁厚度為δ ’ ；(6)利用求得的管壁厚度獲得管壁厚度的差值，即管壁厚度的差值=管壁厚度為S-管壁厚度為δ ’，在管壁的實際測量過程中，通過管壁厚度的差值大小即可知道管道2內壁是否有磨損以及脫落，不僅可應用于管壁的無損檢測，也可用于普通圓筒壁換熱設備的無損檢測，應用范圍廣。本發明可廣泛應用于化工、石油等工業領域中，具有成本低、快速、靈敏度高以及操作安全等獨特優勢。·以上所述，僅是本發明的較佳實施例，并非對本發明做任何形式上的限制，凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化，均落入本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種基于管道溫度場分布的無損檢測裝置，其特征在于，包括設有溫度傳感器(I)的檢測裝置，所述的溫度傳感器(I)設于管道(2)的外壁，而所述的檢測裝置則與儀表盤(3)相連接。
2.根據權利要求I所述的一種基于管道溫度場分布的無損檢測裝置，其特征在于，三個以上的溫度傳感器(I)周向分布于管道(2)外壁上，形成測量環。
3.根據權利要求2所述的一種基于管道溫度場分布的無損檢測裝置，其特征在于，位于測量環上的溫度傳感器(I)等間距分布。
4.根據權利要求3所述的一種基于管道溫度場分布的無損檢測裝置，其特征在于，所述測量環的數量為一個以上，且每兩個測量環之間的間距為8 12cm。
5.根據權利要求4所述的一種基于管道溫度場分布的無損檢測裝置，其特征在于，所述的檢測裝置還包括依次相連的傳感器模擬前端(4)、微處理器(5)以及通信接口 ￠)，所述的傳感器模擬前端(4)通過電纜(7)與溫度傳感器(I)相連；而所述的通信接口(6)則與儀表盤(3)相連接。
6.根據權利要求5所述的一種基于管道溫度場分布的無損檢測裝置，其特征在于，在所述的檢測裝置外還封裝有保護外殼(8)。
7.根據權利要求I 6任一項所述的一種基于管道溫度場分布的無損檢測裝置，其特征在于，所述的溫度傳感器(I)為精度小于或等于±0.1°C的溫度傳感器。
8.根據權利要求7所述的一種基于管道溫度場分布的無損檢測裝置，其特征在于，所述的溫度傳感器(I)為石英晶體溫度傳感器。
9.一種基于管道溫度場分布的無損檢測方法，其特征在于，包括以下步驟 (a)在管壁外布置溫度傳感器(I)，作為溫度測點，通過電纜(7)將數據傳輸給傳感器模擬前端(4)，統計溫度值； (b)傳感器模擬前端(4)將轉換后的數據傳輸給微處理器(5)分析處理，取最高溫度值為tw2max，取剩余溫度由低到高排列的前75%的平均值為tw2 ； (c)測量管道(2)外徑d2及內徑Cl1，由(4-(^)/2獲得管壁厚度為δ； (d)測量管外空氣溫度，使用統計的溫度值tw2及tw2max，利用公式求得管壁厚度δ’ ； (e)利用求得的管壁厚度得到管壁減薄厚度Λ= δ-δ ’。
10.根據權利要求9所述的一種基于管道溫度場分布的無損檢測方法，其特征在于，所述的步驟(d)進一步包括 (d. I)測量得管外空氣溫度為t，查得管外空氣的對流換熱系數為h2，利用公式
全文摘要
本發明公開了一種基于管道溫度場分布的無損檢測裝置及方法，檢測裝置包括設有溫度傳感器(1)的檢測裝置，所述的溫度傳感器(1)設于管道(2)的外壁，而所述的檢測裝置則與儀表盤(3)相連接；檢測方法包括以下步驟(a)在管壁外布置溫度傳感器(1)，作為溫度測點，統計溫度值；(b)取最高溫度值為tw2max，取剩余溫度由低到高排列的前75％的平均值為tw2；(c)測量管道外徑、管內流體的進口溫度、管外空氣溫度，使用統計的溫度值tw2及tw2max，利用傅里葉定律分別求得管壁厚度δ、δ’；(d)管壁減薄厚度Δ＝δ-δ’。本發明可廣泛應用于化工、石油等工業領域中，具有成本低、快速、靈敏度高以及操作安全等獨特優勢。
文檔編號G01N25/72GK102901748SQ20121036456
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月18日 優先權日2012年9月18日
發明者王其軍, 朱紅均, 鄧勇 申請人:成都思馳科技有限公司